Морфологія та оптичні константи нанокристалічних плівок Gе на поверхні Sі(001)
The Ge and SiGe nanocrystalline films were grown on Si(001) surface by molecular-beam epitaxy. The optical constants of thin films were determined by multy-angle monochromatic ellipsometry. Optical properties of such systems were described using the Bruggeman's theory of effective medium approx...
Saved in:
| Date: | 2016 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2016
|
| Online Access: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/620 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Surface |
| Download file: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291774619418624 |
|---|---|
| author | Kozyrev, Y. N. Lysenko, V. S. Gomeniuk, Y. V. Kondratenko, O. S. Iliash, S. A. Kondratenko, S. V. |
| author_facet | Kozyrev, Y. N. Lysenko, V. S. Gomeniuk, Y. V. Kondratenko, O. S. Iliash, S. A. Kondratenko, S. V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Y. N. Kozyrev",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. S. Lysenko",
"institution": "Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України"
},
{
"author": "Y. V. Gomeniuk",
"institution": "нститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України"
},
{
"author": "O. S. Kondratenko",
"institution": "Київський національний університет імені Тараса Шевченка"
},
{
"author": "S. A. Iliash",
"institution": "Київський національний університет імені Тараса Шевченка"
},
{
"author": "S. V. Kondratenko",
"institution": "Київський національний університет імені Тараса Шевченка"
}
] |
| author_sort | Kozyrev, Y. N. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2019-02-11T11:38:44Z |
| description | The Ge and SiGe nanocrystalline films were grown on Si(001) surface by molecular-beam epitaxy. The optical constants of thin films were determined by multy-angle monochromatic ellipsometry. Optical properties of such systems were described using the Bruggeman's theory of effective medium approximation. Deposition of Si on the surface with Ge nanoclusters changes the effective optical constants due to porosity of the nanocrystalline films. |
| doi_str_mv | 10.15407/Surface.2016.08.218 |
| first_indexed | 2025-07-22T19:34:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
Поверхность. 2016. Вып. 8(23). С. 218–222 218
УДК 535:016
МОРФОЛОГІЯ ТА ОПТИЧНІ КОНСТАНТИ
НАНОКРИСТАЛІЧНИХ ПЛІВОК Gе
НА ПОВЕРХНІ Sі(001)
Ю.М. Козирєв1, В.С. Лисенко2, Ю. В. Гоменюк2, О.С. Кондратенко2,
С.А. Іляш3, С.В. Кондратенко3
1Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України,
вул. Генерала Наумова, 17, Київ, 03164, Україна
2Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, Україна
3Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Фізичний факультет,
Київ, Україна, * kondr@univ.kiev.ua
Нанокристалічні плівки Ge та SiGe вирощені на поверхні Si(001) методом молекулярно-
променевої епітаксії. Оптичні константи тонких плівок визначено методом багатокутової
монохроматичної еліпсометрії. Оптичні властивості систем описано в моделі ефективного
середовища Бруггемана. Показано, що зміна ефективних оптичних констант при нанесенні Si
на поверхню нанокластерів Ge зумовлена поруватістю нанокристалічних плівок.
Вступ
Напівпровідникові нанокластери викликають інтерес завдяки новим
можливостям застосування в електронних пристроях, в тому числі польових
транзисторах, ІЧ-фотоприймачах і сонячних елементах. Поліпшення характеристик
приладів досягається за рахунок зменшення відстані між нанокластерами, зменшення
дисперсії розмірів, а також вибору оточуючого матеріалу гетеропари [1–5].
Окремий інтерес становлять нанокристалічні плівки SiGe та Ge, вирощені на
кремнієвій підкладці у зв’язку з їх сумісністю з кремнієвими технологіями. Поля
механічних напружень внаслідок неспівпадіння сталих ґраток Si та Ge та їх просторові
варіації на відстанях порядку розміру нанокластерів суттєво впливають на транспорт
носіїв заряду, електронний спектр та оптичні властивості гетеросистем Si-Ge [6–12].
Гетероструктури з нанокластерами SiGe на поверхні Si(001) отримують методом
молекулярно-променевої епітаксії в режимі Странскі–Крастанова, який вирізняється
різким переходом від двовимірного (2D) росту до росту 3D нанокластерів, коли
ключовим фактором є енергетичний виграш внаслідок зменшення величини
механічних напружень за рахунок зміни топології плівки. На початковій стадії
нанесення напівпровідникового матеріалу на поверхню кристалу з меншою сталою
решітки ріст наноострівців може відбуватися пошарово. Перші кілька шарів ростуть
псевдоморфно за механізмом ван-дер-Мерве, коли формується так званий
змочувальний шар. Різниця сталих ґраток призводить до того, що плівка Ge росте
стисненою в площині підкладки. Пружна енергія плівки зростає зі збільшенням її
товщини і при перевищенні деякої критичної величини, яку називають товщиною
змочувального шару, відбувається релаксація пружних напружень шляхом виникнення
тривимірних острівців.
Експеримент
Багатошарові гетероструктури Ge/Si було вирощено методом молекулярно-
променевої епітаксії на підкладці p-Si(100) із ρ = 7.5 Ω·см. Поверхня підкладки
вкривалась буферним шаром кремнію, товщиною 100 нм. Після цього наносився шар
Ge при температурі 350 ºС (структура A). На частину поверхні з нанокластерами Ge
219
спрямовувався потік іонів Si (2–3×1014 cм2/с). В результаті на відкритій частині
поверхні формувались SiGe нанокластери внаслідок нанесенню шару кремнію з
номінальною товщиною 5 моношарів (МШ) (структура B). До того ж частина підкладки
з вирощеними SiGe нанокластерами вкривалась шаром кремнію, товщиною 55 нм
(структура C). Швидкості нанесення становили 1,0 нм/хв для Si та 0,6 нм/хв для Ge.
Різні експериментальні методи були використані для характеристики розміру
нанокластерів. Розподіл за розмірами і поверхнева густина нанокластерів
контролювалися за допомогою атомно-силової мікроскопії (AFM). Вимірювання AFM
проводилися з використанням мікроскопа НТ-МДТ Ntegra в напівконтактному режимі з
використанням зонда радіусом ~ 10 нм.
Оптичні властивості багатошарових гетероструктур досліджувались методом
монохроматичної багатокутової еліпсометрії з використанням еліпсометра ЛЭФ-3М (λ
= 632.8 нм). Вимірювання поляризаційних кутів Ψ(φ), Δ(φ) проводили за двозонною
методикою поблизу головного кута падіння структури [13]. На основі еліпсометричних
вимірювань оптичні константи, а саме комплексний показник заломлення N=n+ik
структур, визначали шляхом розв’язування оберненої елiпсометричної задачi методом
мiнiмiзацiї квадратичної цiльової функцiї спецiального вигляду [14]. Також на основі
виміряних кутових залежностей Ψ, Δ багатошарових гетероструктур проведено їх опис
в рамках теорії ефективного середовища в симетричному модифікованому наближенні
Бруггемана [15].
Результати та їх обговорення
На рис. 1 a наведено АСМ зображення поверхні структури А −
нанокристалічної плівки Ge на поверхні Si(001). Середній діаметр нанокластерів
становив 28 нм, а їх поверхнева густина складала 1,1·1011 см-2.
Рис. 1. АСМ зображення поверхні нанокристалічної плівки Ge на поверхні Si(001) (a)
та після нанесення на їх поверхню 5 МШ Si (б). Розподіли за діаметрами
нанокластерів плівки Ge на поверхні Si(001) (в) та після нанесення на їх
поверхню 5 МШ Si (г).
Аналіз топології поверхні поблизу ділянок, де були відсутні нанокластери,
дозволив визначити товщину шару з нанокристалами порядку 85 нм. Після нанесення 5
МШ Si на поверхню структури А відбулась реконструкція поверхні з нанокристалами,
яка супроводжувалась коалесценцією сусідніх нанокластерів, що призвело до
220
збільшення середнього розміру нанокристалів до 35 нм та зменшення поверхневої
густини нанокластерів до 0,7·1011 см-2. АСМ зображення такої поверхні структури В
наведено на рис. 1 б. Отримані гістограми розподілів нанокластерів за діаметрами було
апроксимовано розподілом Гауса з шириною FWHW, рівною 28 на та 38 нм для
структур А та B відповідно (див. рис. 1 в, г).
На рис. 2 наведено дані багатокутової еліпсометрії для нанокристалічної плівки
Ge на поверхні Si та після нанесення на їх поверхню 5 МШ Si. Використовуючи
експериментальнi залежностi поляризацiйних кутів Ψ(φ), Δ(φ) таких багатошарових
структур в межах обраної для кожної структури моделi, визначали ефективні оптичні
параметри поверхневого шару з Ge нанокластерами і його ефективну товщину. Для
структури А розраховувались оптичні параметри поверхневого шару з Ge
нанокластерами в рамках оптичної моделі системи „ефективна суцільна плівка на
підкладці” в залежності від її масової товщини; отримано наступні параметри: n = 3,80,
k = 0,58, effd = 54,0 нм. Константи для монокристалічного Ge становили: n = 5,29, k =
0,64 (для λ = 632,8 нм).
66 68 70 72 74 76 78 80 82 84
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Структура А
Структура В
Структура С
підгонка
, г
ра
д.
, град.
66 68 70 72 74 76 78 80 82 84
0
2
4
6
8
10
12
14
Структура А
Структура В
Структура С
підгонка
, г
ра
д.
, град.
а б
Рис. 2. Кутові залежності Ψ(φ) (а) та Δ(φ) (б) для багатошарових гетероструктур;
символи – експеримент, суцільні лінії – теоретичні, підігнані до
експериментальних шляхом мінімізації цільової функції.
Зв’язок оптичних властивостей металевих плівок з їх морфологією в
довгохвильовому наближенні було проаналізовано в рамках статистичної моделі
ефективного середовища. Використовуючи отримані з еліпсометрії значення оптичних
констант, додатково для визначення оптичних параметрів, таких як об’ємний вміст f
компонентів гетероструктури з нанорозмірними включеннями і товщину d шарів,
застосовували наближення ефективного середовища Бруггемана:
1
0
1
N
i eff
i
i i eff
f
D
, (1)
де і – номер фази-складової з комплексною діелектричною функцією εi(ω), fi – її вміст,
εeff – діелектрична проникність ефективного суцільного середовища, D – параметр,
залежний від розмірності плівки (D = 3 для нашого випадку). Кожний шар в оптичній
моделі задавали сумішшю компонентів, з яких складається структура.
Для нанокристалічних плівок Ge на поверхні Si визначили вміст кожної
компоненти структури в рамках 2-компонентної моделі Бруггемана і отримали фактори
заповнення Gef =65,0 % для структури A і SiGef =71,4 % для структури B. Як і
221
очікувалось, нанесення Si на поверхню нанокластерів Ge призводить до збільшення
фактору заповнення плівки. Збільшення товщини покривного шару Si призводить до
більш суттєвої зміни оптичних констант внаслідок реконструкції поверхні з nc-Ge при
нанесенні кремнію та Si-Ge інтердифузії.
Для структури С (схематичне зображення моделі наведено на рис. 3)
моделювання ефективним середовищем в рамках 3-компонентної моделі: (i) перехідний
шар Si0.3Ge0.7, (ii) напружений нанокристалічний шар з Ge нанокластерами в Si
оточенні, (iii) покривний шар Si – дозволило нам отримати оптичні параметри кожного
з шарів. Товщина перехідного шару виявилась рівною 8,0 нм і збіглась з середнім
значенням діаметра nc-Ge. Визначені оптичні константи n = 4,6 і k = 0,26 узгоджуються
із табличними значеннями для твердого розчину Si0.3Ge0.7. Було визначено такі
параметри для напруженого нанокристалічного шару з nc-Ge в Si оточенні: n = 3,80, k =
0,58, effd = 54,0 нм. Отриманий показник заломлення для даного шару виявився
меншим за табличне значення як для об’ємного Ge, так і для об‘ємного Si. Це означає,
що він виявився поруватим, незважаючи на сформований над ним суцільний покривний
шар Si, товщиною 65 нм.
Рис. 3. Модель для розрахунку оптичних параметрів структури С.
Висновки
Молекулярно-променева епітаксія Ge на поверхню Si(001) при температурах 300–
350 °С призвела до формування нанокристалічних плівок з розміром кристалітів
порядку 30 нм та поверхневою густиною 1,1·1011 см-2. Нанесення Si на поверхню
сформованих плівок Ge призводить до підвищення ступеня їх кристалічності та
утворення шару твердого розчину Si-Ge.
Виявлено зміну оптичних констант тонких шарів багатошарових гетеросистем,
зумовлених зміною рельєфу поверхні нанокластерів Ge та SiGe та, відповідно, зміною
морфології тонких плівок. Показано, що виміряні кутові залежності еліпсометричних
параметрів Ψ, можна описати в моделі ефективного середовища Бруггемана.
Встановлено, що зміна ефективних оптичних параметрів при нанесенні Si на поверхню
нанокластерів Ge зумовлена створеною поруватістю нанокристалічних плівок.
Література
1. K. Brunner, Reports on Progress in Physics 65, 27 (2002).
2. D.Bimberg, M.Grundmann, N.Ledentsov Quantum dot heterostructures. John Wiley &
Sons, Ltd., Chichester (1999).
3. C. Miesner, O. Röthig, K. Brunner, G. Abstreiter, Appl. Phys. Lett.76, 1027 (2000).
4. C. Teichert, Phys.Rep. 365 335 (2002).
I. Berbezier, A. Ronda, Surface Science Reports 64, 47 (2009).
5. H. Lafontaine, N.L. Rowell, S. Janz, D.-X. Xu,J. Appl. Phys. 86, 1287 (1999).
6. K. Barnham, G. Duggan, J. Appl. Phys. 67, 3490 (1990).
7. M. Floyd, Y. Zhang, K.P. Driver, J. Drucker, P. A. Crozier and D. J. Smith, Appl. Phys.
Lett. 82, 1473 (2003).
8. O. G. Schmidt, U. Denker, S. Christiansen and F. Ernst Appl. Phys. Lett. 81, 2614
(2002).
222
9. M. Kratzer, M. Rubezhanska, C. Prehal, I. Beinik, S.V. Kondratenko, Yu.N.Kozyrev, C.
Teichert, PhysRev B. 86, 245320 (2012).
10. M. Nonnenmacher, M.P. O’Boyle, H.K. Wickramasinghe, Appl. Phys. Lett. 58, 2921
(1991).
11. Z. Lin, P. Brunkov, F. Bassani, G. Bremond, Applied Physics Letters97, 263112 (2010).
12. Р. Аззам, Н. Башара, Эллипсометрия и поляризованный свет (Мир, Москва, 1981).
13. В.Н. Антонюк, Н.Л. Дмитрук, М.Ф. Медведева, Эллипсометрия в науке и технике
(Новосибирск, Наука, 1987).
14. D.A.G. Bruggeman, Ann. Phys. (Ger.) A24 (1935) 636.
МОРФОЛОГИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ
НАНОКРИСТАЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК Gе НА ПОВЕРХНОСТИ Sі(001)
Ю.Н. Козырев1, В.С. Лысенко2, Ю.В. Гоменюк2, О.С. Кондратенко2,
С.А. Иляш3, С.В. Кондратенко3
1Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова, 17, Киев, 03164, Украина
2Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарьова НАН Украины,
3Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Физический
факультет, Киев Украина, * kondr@univ.kiev.ua
Нанокристаллические пленки Ge и SiGe выращены на поверхности Si(001)
методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Оптические константы тонких пленок
определены методом многоуговой монохроматической эллипсометрии. Оптические
свойства систем описаны в модели эффективной среды Бруггемана. Показано, что
изменение эффективных оптических констант при нанесении Si на поверхность
нанокластеров Ge обусловлено пористостью нанокристаллических пленок.
MORPHOLOGY AND OPTICAL CONSTANTS OF Gе
NANOCRYSTALLINE FILMS DEPOSITED ON Sі(001)
Y.N. Kozyrev1, V.S. Lysenko2, Y.V. Gomeniuk2, O.S.Kondratenko3,
S.A. Iliash3, S.V. Kondratenko3
1Chuiko Institute of Surface Chemistry, National Academy of Sciences of Ukraine
17 General Naumov Str., Kyiv, 03164, Ukraine,
2Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of
Ukraine,
3National Taras Shevchenko University, Physics Department, Kyiv, Ukraine,
* kondr@univ.kiev.ua
The Ge and SiGe nanocrystalline films were grown on Si(001) surface by molecular-
beam epitaxy. The optical constants of thin films were determined by multy-angle
monochromatic ellipsometry. Optical properties of such systems were described using the
Bruggeman's theory of effective medium approximation. Deposition of Si on the surface with
Ge nanoclusters changes the effective optical constants due to porosity of the nanocrystalline
films.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-620 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:16:07Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/97/49f240e9a6c26b4155c06fe0b0960f97.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-6202019-02-11T11:38:44Z Morphology and optical constants of Gе nanocrystalline films deposited on Sі(001) Морфология и оптические константы нанокристалических пленок Gе на поверхности Sі(001) Морфологія та оптичні константи нанокристалічних плівок Gе на поверхні Sі(001) Kozyrev, Y. N. Lysenko, V. S. Gomeniuk, Y. V. Kondratenko, O. S. Iliash, S. A. Kondratenko, S. V. The Ge and SiGe nanocrystalline films were grown on Si(001) surface by molecular-beam epitaxy. The optical constants of thin films were determined by multy-angle monochromatic ellipsometry. Optical properties of such systems were described using the Bruggeman's theory of effective medium approximation. Deposition of Si on the surface with Ge nanoclusters changes the effective optical constants due to porosity of the nanocrystalline films. Нанокристаллические пленки Ge и SiGe выращены на поверхности Si(001) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Оптические константы тонких пленок определены методом многоуговой монохроматической эллипсометрии. Оптические свойства систем описаны в модели эффективной среды Бруггемана. Показано, что изменение эффективных оптических констант при нанесении Si на поверхность нанокластеров Ge обусловлено пористостью нанокристаллических пленок. Нанокристалічні плівки Ge та SiGe вирощені на поверхні Si(001) методом молекулярно-променевої епітаксії. Оптичні константи тонких плівок визначено методом багатокутової монохроматичної еліпсометрії. Оптичні властивості систем описано в моделі ефективного середовища Бруггемана. Показано, що зміна ефективних оптичних констант при нанесенні Si на поверхню нанокластерів Ge зумовлена поруватістю нанокристалічних плівок. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2016-10-06 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/620 10.15407/Surface.2016.08.218 Surface; No. 8(23) (2016): Surface; 218-222 Поверхность; № 8(23) (2016): Поверхность; 218-222 Поверхня; № 8(23) (2016): Поверхня; 218-222 3154-8091 3154-8083 10.15407/Surface.2016.08 uk https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/620/620 Авторське право (c) 2016 Y.N. Kozyrev, V.S. Lysenko, Y.V. Gomeniuk, O.S.Kondratenko, S.A. Iliash, S.V. Kondratenko |
| spellingShingle | Kozyrev, Y. N. Lysenko, V. S. Gomeniuk, Y. V. Kondratenko, O. S. Iliash, S. A. Kondratenko, S. V. Морфологія та оптичні константи нанокристалічних плівок Gе на поверхні Sі(001) |
| title | Морфологія та оптичні константи нанокристалічних плівок Gе на поверхні Sі(001) |
| title_alt | Morphology and optical constants of Gе nanocrystalline films deposited on Sі(001) Морфология и оптические константы нанокристалических пленок Gе на поверхности Sі(001) |
| title_full | Морфологія та оптичні константи нанокристалічних плівок Gе на поверхні Sі(001) |
| title_fullStr | Морфологія та оптичні константи нанокристалічних плівок Gе на поверхні Sі(001) |
| title_full_unstemmed | Морфологія та оптичні константи нанокристалічних плівок Gе на поверхні Sі(001) |
| title_short | Морфологія та оптичні константи нанокристалічних плівок Gе на поверхні Sі(001) |
| title_sort | морфологія та оптичні константи нанокристалічних плівок gе на поверхні sі(001) |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/620 |
| work_keys_str_mv | AT kozyrevyn morphologyandopticalconstantsofgenanocrystallinefilmsdepositedonsí001 AT lysenkovs morphologyandopticalconstantsofgenanocrystallinefilmsdepositedonsí001 AT gomeniukyv morphologyandopticalconstantsofgenanocrystallinefilmsdepositedonsí001 AT kondratenkoos morphologyandopticalconstantsofgenanocrystallinefilmsdepositedonsí001 AT iliashsa morphologyandopticalconstantsofgenanocrystallinefilmsdepositedonsí001 AT kondratenkosv morphologyandopticalconstantsofgenanocrystallinefilmsdepositedonsí001 AT kozyrevyn morfologiâioptičeskiekonstantynanokristaličeskihplenokgenapoverhnostisí001 AT lysenkovs morfologiâioptičeskiekonstantynanokristaličeskihplenokgenapoverhnostisí001 AT gomeniukyv morfologiâioptičeskiekonstantynanokristaličeskihplenokgenapoverhnostisí001 AT kondratenkoos morfologiâioptičeskiekonstantynanokristaličeskihplenokgenapoverhnostisí001 AT iliashsa morfologiâioptičeskiekonstantynanokristaličeskihplenokgenapoverhnostisí001 AT kondratenkosv morfologiâioptičeskiekonstantynanokristaličeskihplenokgenapoverhnostisí001 AT kozyrevyn morfologíâtaoptičníkonstantinanokristalíčnihplívokgenapoverhnísí001 AT lysenkovs morfologíâtaoptičníkonstantinanokristalíčnihplívokgenapoverhnísí001 AT gomeniukyv morfologíâtaoptičníkonstantinanokristalíčnihplívokgenapoverhnísí001 AT kondratenkoos morfologíâtaoptičníkonstantinanokristalíčnihplívokgenapoverhnísí001 AT iliashsa morfologíâtaoptičníkonstantinanokristalíčnihplívokgenapoverhnísí001 AT kondratenkosv morfologíâtaoptičníkonstantinanokristalíčnihplívokgenapoverhnísí001 |